Physically motivated AGN emissivity profiles and their effects on quasar microlensing signatures. 1. Multi-epoch accretion disc size inference

Technische Samenvatting: Fysisch gemotiveerde AGN-emissiviteitsprofielen en hun effecten op quasar-microlensignaturen

Probleemstelling
Quasar-microlensing dient als een primaire sonde voor de fysieke schaalniveaus van accretiestromen op micro-boogseconde-schalen. Er bestaat echter een hardnekkig discrepantie tussen de door microlensing afgeleide accretieschijfmaten en de maten die worden voorspeld door de standaard Shakura-Sunyaev (1973) schijftheorie, vaak aangeduid als het "disc-size problem". Deze spanning weerspiegelt bevindingen uit campagnes voor continuüm-reverberatie-mapping. Huidige microlensing-analyses modelleren de oppervlaktehelderheidsverdeling van de bron doorgaans met vereenvoudigde voorschriften, zoals circulaire Gaussische profielen of standaard dunne-schijfmodellen. Deze benaderingen verwaarlozen vaak de aanwezigheid van uitgebreide continuüm-emitterende structuren, speciflijk de diffuse free-bound continuümemissie afkomstig van de Broad-Line Region (BLR). De auteurs stellen dat het interpreteren van een samengesteld emissiebeeld (compacte schijf + uitgebreide BLR) als een enkele compacte schijf systematische biases introduceert in de afgeleide bronmaten.

Methodologie
De auteurs construeren een fysisch gemotiveerd kader om de impact van grootschalige diffuse emissie op microlensing-signaturen te kwantificeren. De methodologie verloopt in drie stadia:

1. Intrinsieke Schijfmodellering: De auteurs passen het agnsed-raamwerk (Kubota & Done 2018) aan om energetisch zelfconsistente emissiviteitsprofielen te genereren. Ze modelleren twee fiduciaire accretieflow-structuren:

   • Een standaard Shakura-Sunyaev (1973) thermische schijf.
   • Een gemodificeerde schijf met een warme Comptoniserende regio (warme corona) tussen de buitenste standaard schijf en een binnenste hete X-ray plasma.
     Deze modellen maken gebruik van een Novikov-Thorne (1973) temperatuurprofiel en houden rekening met X-ray stralingsverwarming van de schijf aan beide zijden. De modellen produceren volledige Spectral Energy Distributions (SEDs) en 2D-emissiviteitskaarten voor specifieke bandbreedtes.

2. BLR Diffuse Continuümcalculatie: Met behulp van de cloudy foto-ionisatiecode (Ferland et al. 2017) berekenen de auteurs de diffuse free-bound continuümemissie gegenereerd door de BLR. Ze nemen een bi-conische geometrie aan met een bezettingsfractie van $f_c \approx 0.3$ en foto-geïoniseerd evenwicht. De BLR-emissie wordt berekend op basis van de ioniserende SED van de agnsed-modellen, waarbij een isotrope straling vanuit het geïllumineerde BLR-oppervlak wordt verondersteld.

3. Microlensing Simulatie en Grootte-reconstructie:

   • Vergrotingkaarten (Magnification Maps): De auteurs genereren bronvlak-vergrotingkaarten met behulp van de Fast Multipole Method–Inverse Polygon Mapping (FMM–IPM) techniek voor zowel positieve-pariteit (minimum) als negatieve-pariteit (zadel) lensconfiguraties.
   • Convolutie: De 2D-emissiviteitskaarten (die zowel de schijf- als de BLR-componenten bevatten) worden geconvolveerd met de vergrotingkaarten om uitgebreide-bron vergrotingdistributies te produceren.
   • Mock Observaties: Ze genereren 100 mock microlensing-lichtcurves door willekeurige trajecten over de vergrotingkaarten te trekken, waarbij zij de observationele beperkingen (cadans, ruis, gaten) simuleren op basis van de Cosmograil-dataset.
   • Grootte-inferentie: Bronmaten worden gereconstrueerd door de variabiliteitsstatistieken (standaarddeviatie van de microlensing-vergroting, $\sigma_{\Delta m}$) van de mock lichtcurves te vergelijken met een grid van trial half-light radii. De reconstructie vindt plaats onder drie verschillende modelleringsaannames: (1) standaard Shakura-Sunyaev schijf alleen, (2) warme Comptoniserende schijf alleen, en (3) het volledige samengestelde warme Compton + BLR model.

Belangrijkste Bijdragen en Resultaten

• Gevoeligheid van Emissiviteitsprofiel: De studie vindt dat de gedetailleerde vorm van het compacte schijf-emissiviteitsprofiel (thermisch vs. warme Comptoniserende regio) slechts een hogere-orde effect heeft op het microlensing-profiel. Het microlensing-signaal is primair gevoelig voor de effectieve half-light radius van de bron.
• Impact van Diffuse BLR-emissie: De inclusie van de diffuse BLR-continuümemissie verandert de microlensing-signaturen aanzienlijk. Omdat de BLR-emissie afkomstig is van fysiek grotere schalen, fungeert het als een vloeiend component dat het kleinschalige caustic-netwerk middelt. Dit resulteert in smallere vergrotingdistributies en gereduceerde variabiliteitsamplitudes vergeleken met compact-only modellen.
• Golflengteafhankelijkheid: De omvang van de bias is sterk golflengteafhankelijk, bepaald door de fractionele bijdrage van de diffuse BLR-emissie aan de totale SED in de geobserveerde bandbreedte. In laag-energetische banden (bijv. $\lambda \approx 7500$ Å) waar de BLR-bijdrage significant is ($\sim 30\%$), is het vloeiende effect uitgesproken. In hoog-energetische banden (bijv. $\lambda \approx 1650$ Å) waar de BLR-bijdrage minimaal is ($\sim 1.4\%$), is het effect verwaarloosbaar.
• Systematische Groottebias: Wanneer mock lichtcurves gegenereerd uit een samengesteld (schijf + BLR) model worden geanalyseerd met compact-only bronvoorschriften, overschat de afgeleide half-light radius de ware compacte schijfmaat systematisch. De gereconstrueerde grootte neigt naar de effectieve half-light radius van de samengestelde bron.
• Mechanisme van de Bias: De auteurs verduidelijken dat deze bias geen eenvoudige flux-gewogen gemiddelde is van de schijf- en BLR-radii. In plaats daarvan, in het optische/UV-regime waar het BLR-fluxfractie minder dan 50% is, wordt de afgeleide grootte bepaald door de radius die nodig is om de helft van de totale (schijf + BLR) flux te omsluiten. Omdat de BLR flux toevoegt zonder significant bij te dragen aan de binnenste compacte emissie, verschuift de radius die nodig is om 50% van de totale flux te omsluiten naar buiten, wat leidt tot een schijnbare toename in grootte.

Significantie
Het artikel concludeert dat een deel van het "disc-size problem"—de systematische overmaat in microlensing-afgeleide accretieschijfgroottes—waarschijnlijk voortkomt uit het interpreteren van samengestelde disc+BLR emissie als emissie van een enkele compacte accretieschijf. Door de uitgebreide diffuse continuümemissie van de BLR te negeren, meten standaard microlensing-analyses effectief een "effectieve" grootte die groter is dan de ware compacte schijfgrootte. Deze bevinding biedt een fysieke verklaring voor de grootte-spanning waargenomen in zowel microlensing als continuüm-reverberatie-mapping, en suggereert dat de discrepantie niet noodzakelijkerwijs een falen is van de standaard schijftheorie, maar eerder een gevolg is van onvolledige bronmodellering die uitgebreide herverwerkingsregio's weglaat. De auteurs benadrukken dat hun resultaten bescheiden van omvang zijn, waarbij zij de bias demonstreren door middel van fysisch gemotiveerde modellen in plaats van te claimen alle observationele spanningen op te lossen, maar zij stellen vast dat de fractionele bijdrage van diffuse emissie een kritieke parameter is in grootte-inferentie.